TERMODINÂMICA. Radiação Solar. Anjo Albuquerque

Transcrição

1 TERMODINÂMICA Radiação Solar 1 Anjo Albuquerque

2 TERMODINÂMICA Termodinâmica - é a área da Física que nos permite compreender o mundo que nos rodeia, desde a escala dos átomos até à escala do universo. 2 Anjo Albuquerque

3 Sistema Termodinâmico Sistema termodinâmico - é uma quantidade de matéria ou região para a qual nossa atenção está voltada. Estado termodinâmico - é cada uma das situações diferentes em que um sistema se pode encontrar. Cada estado caracteriza-se pelas suas variáveis termodinâmicas: pressão; temperatura; volume; 3 Anjo Albuquerque

4 Sistema termodinâmico 1. Designa-se estado do sistema o conjunto dos valores de todas as propriedades de um sistema. 2. Dois sistemas estão no mesmo estado se os valores de todas as suas propriedades forem iguais. 3. Dois sistemas estão em estados diferentes se o valor de uma das propriedades for diferente. 4. Não é necessário medir os valores de todas as propriedades para saber o estado do sistema, basta conhecer as variáveis de estado ou propriedades do sistema. 5. Variáveis termodinâmicas são todas as outras propriedades do sistema que podem ser calculadas a partir das anteriores. 4 Anjo Albuquerque

5 Como se atigem os estados de equilíbrio? Estado 1 Estado 2 Sistema Processo Sistema Vizinhança Vizinhança Processo variação de um estado termodinâmico para outro. Durante o processo ocorrem transformações no sistema. O estado 1 (estado inicial) é caracterizado pelo conjunto de variáveis de estado X que após a troca de energia com a sua vizinhança origina o estado 2 (estado final) Y. 5 Anjo Albuquerque

6 Equilíbrio Termodinâmico? Os corpos estão constantemente a emitir radiação e a receber radiação de tudo o que os rodeia. Se um corpo emitir maior quantidade de energia por radiação do que absorve, a sua temperatura diminui, e a temperatura da vizinhança aumenta. Quando o corpo emite tanta energia como aquela que absorve, a sua temperatura estabiliza e diz-se que atingiu o equilíbrio térmico (as potência de radiação absorvida e emitida são iguais). 6 Anjo Albuquerque

7 Tipos de equilíbrio Se os sistemas estiverem em contacto térmico Após a interação T1 = T2 Térmico Químico Se houver transferência de corpúsculos entre sistemas reagentes Mecânico Se os sistemas interatuarem mecanicamente, realizando trabalho 7 Anjo Albuquerque

8 Equilíbrio Termodinâmico? Quando se atingem, simultaneamente, todos os equilíbrios entre o sistema e a sua vizinhança. 8 Anjo Albuquerque

9 Equilíbrio térmico LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Quando todos os corpos estão em equilíbrio térmico, as suas temperaturas são iguais. Lei zero da termodinâmica Se dois sistemas estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, também estão em equilíbrio térmico entre si. 9 Anjo Albuquerque

10 O equilíbrio térmico e a radiação Colocar as três latas num recipiente termicamente isolado. Ao fim de algum tempo estão todos à mesma temperatura. No entanto todos os corpos continuam a irradiar energia. As respetivas taxas de absorção e de emissão de radiação são iguais. Ou seja, a potência irradiada (emissão) por um corpo é igual à potência que esse corpo absorve (absorção) da sua vizinhança como radiação. 10 Anjo Albuquerque

11 TERMODINÂMICA Na maioria dos sistemas que interessam à termodinâmica não há macroscopicamente variação de energia cinética nem de energia potencial. Há transformações de energia que se podem traduzir apenas POR VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA DOS SISTEMAS E int = W + Q + R 1ª Lei da Termodinâmica OU LEI DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Relaciona as energias que transitam do sistema para o exterior, ou vice-versa e a consequente variação de energia interna. 11 Anjo Albuquerque

12 TERMODINÂMICA A energia interna de um sistema isolado é uma constante pelo que a E int = 0 Sistema isolado A energia interna de um sistema não isolado não é uma constante pelo que a E int = W + Q + R Sistema não isolado Ao escrevemos a 1ª Lei estamos a admitir uma convenção de sinais: Quando entra energia no sistema seja sob a forma de W, Q ou R estes são positivos pois fazem aumentar a E int >0. Quando sai energia do sistema, então Q, W ou R são negativos e E int <0. 12 Anjo Albuquerque

13 TERMODINÂMICA Considere um recipiente fechado contendo um gás, dentro de uma estufa. O gás recebe energia, como calor, da sua vizinhança e como consequência aumenta a sua temperatura e portanto a sua energia interna. E int = Q Q>0 Sistema E int > 0 Considere um cilindro com um pistão, isolado termicamente. Considere a pressão do gás inferior à pressão exterior. Como consequência do deslocamento do pistão o gás comprime-se. É assim realizado trabalho pelas forças de pressão sobre o sistema ocorrendo uma transferência de energia da vizinha para o sistema. E int = W W>0 Sistema E int > 0 13 Anjo Albuquerque

14 TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA

15 TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA E int = Q Considere o sistema constituído por um recipiente com água. Neste caso, não há realização de trabalho sobre o sistema: W = 0

16 TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA Um jovem pretende furar uma parede utilizando um berbequim. Neste caso, há realização de trabalho sobre o sistema: W>0. O berbequim e a parede aquecem, havendo uma certa elevação da temperatura desse sistema. Ocorre transferência de energia, como calor, para a vizinhança do sistema: Q<0. A variação da energia interna resulta do balanço energético do trabalho realizado sobre o sistema e da energia cedida, como calor, para a vizinhança desse sistema. E int = Q + W

17 UMA GARRAFA TERMO OU VASO DE DEWAR Se a temperatura do exterior da garrafa for, por exemplo, de 20º C, a temperatura da substância no seu interior mantém-se paticamente inalterável. A variação de energia interna do sistema é nula. A energia interna do sistema mantém-se praticamente constante. Na prática, é um sistema isolado termicamente. E int = Q + W = 0 Q = 0 e W = 0

18 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA Vimos que a energia transferida como calor entre dois sistemas se não ocorrer mudança de fase era dada por: Q = m c T c - capacidade térmica mássica C = m c C - capacidade térmica Q = C T E se ocorrer mudança de fase? Como calcular, por exemplo, a energia necessária para a água passar do estado sólido para o estado líquido e desta para o estado gasoso? E = m H H - Variação de entalpia

19 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA H - Quantidade de energia recebida ou cedida pela unidade de massa de uma substância ou material para que sofra uma mudança de estado físico variação de entalpia

20 Qualquer transferência de energia conduz a diminuição de energia útil, apesar da energia total se manter constante, pois uma parte deixa de estar disponível para a realização de trabalho. A segunda lei da Termodinâmica prevê esta degradação. Os processos que ocorrem espontaneamente na Natureza dão-se no sentido da diminuição da energia útil.

21 MÁQUINA A VAPOR Sistema em que há degradação de energia James Watt

22 DEGRADAÇÃO DA ENERGIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A máquina a vapor o avião e o canhão são exemplos de máquinas térmicas. Realizam trabalho a partir de transferências de energia. No entanto em qualquer destas situações há degradação de energia. A quantidade de energia fornecida é superior à quantidade de energia produzida. Para que um sistema realize trabalho é necessário fornecer-lhe energia.

23 MÁQUINAS TÉRMICAS James Watt Físico Escocês A locomotiva a vapor é uma máquina térmica. Tem por base os princípios desenvolvidos por James Watt. Trabalho Útil Ambiente O carvão é queimado na fornalha. O calor libertado aquece a água contida numa caldeira até à ebulição. O vapor de água produzido faz movimentar um êmbolo que está associado às rodas da locomotiva, permitindo o seu movimento. Os gases que se libertam da queima do carvão saem pela chaminé.

24 BALANÇO ENERGÉTICO NUMA MÁQUINA A VAPOR Q - calor cedido ao meio ambiente A energia transferida à máquina, como calor, não é integralmente utilizada para realizar trabalho mecânico. Parte desta energia é libertada, como calor, através da chaminé corresponde à energia dissipada.

25 POSTULADO DE KELVIN 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Transformações semelhantes à do exemplo dado levaram William Thomson (Lord Kelvin) a formular o seguinte postulado. POSTULADO DE KELVIN Nenhum sistema termodinâmico, que funcione de modo cíclico pode transferir calor de uma única fonte, transformando-o integralmente em trabalho. Físico Irlandês Este postulado é um dos possíveis enunciados da 2ª Lei da Termodinâmica. A locomotiva a vapor é uma aplicação desta Lei.

26 APLICAÇÕES DO POSTULADO DE KELVIN EM PROCESSOS INDUSTRIAIS Balanço Energético numa Central Térmica Q 1 calor perdido na caldeira. Q 2 calor perdido por arrefecimento no condensador. Q 3 calor perdido nos circuitos do alternador e do transformador.

27 MÁQUINAS TÉRMICAS Um dos principais objetivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendimento possível.

28 POSTULADO DE CLAUSIUS 2ª LEI DA TERMODINÂMICA POSTULADO DE CLAUSIUS É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a temperatura mais baixa para outro sistema a temperatura mais alta. Físico Alemão Quando se adiciona o chocolate quente ao gelado, o calor transfere-se, espontaneamente, num único sentido: do chocolate para o gelado até se atingir o equilíbrio térmico.

29 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Só é possível transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente através da realização de trabalho. Ex: frigorífico, arcas congeladoras e bombas de calor.

30 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A eficiência de uma máquina frigorífica é o quociente entre a energia sob a forma de calor que sai da fonte fria, Q f, e o trabalho necessário para realizar essa transferência de energia. Pode ser superior a 1. A eficiência típica de uma máquina frigorífica varia entre 4 e 6. Uma eficiência igual a 5, significa que o frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria (interior do frigorífico) para a fonte quente (exterior), por cada 1 J de energia elétrica que consome.

31 ENTROPIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A quase totalidade dos fenómenos que ocorrem são irreversiveis.

32 ENTROPIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Em 1865, Clausiús estabeleceu uma lei que necessitou da definição de uma nova variável de estado termodinâmica ENTROPIA e que mede a desordem que ocorre na estrutura de um sistema à medida que este evolui. A quase totalidade dos fenómenos que ocorrem são irreversíveis.

33 ENTROPIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A queda de uma bola também é um processo irreversível. Ocorre num só sentido. É impossível a ocorrência espontânea de um processo irreversível, no qual há uma diminuição total da entropia.

34 2ª LEI DA TERMODINÂMICA LEI DA NÃO DIMINUIÇÃO DA ENTROPIA Um corpo quente em contacto com um corpo frio não pode aquecer. Físico Irlandês A entropia de um sistema isolado não pode diminuir. A entropia do universo nunca diminui Nos processos espontâneos, há diminuição de energia útil.